缩短水射流实验调压时间的改进方法

2021-12-22刘辉李国黄晶漆文龙王柯刘森李尤范利彬

机械工程师 2021年12期

刘辉，李国，黄晶，漆文龙，王柯，刘森，李尤，范利彬

（中国石油西南油气田公司工程技术研究院，国家能源高含硫开采研发中心，四川广汉 618300）

0 引言

水射流技术在石油天然气勘探开发领域的应用日益广泛，如超高压射流钻井[1-4]、高压射流油管清洗和清砂[5-7]、水力喷射压裂等[8-9]。现场射流工艺参数的确定有赖于室内射流模拟实验，随着室内实验工作量的逐渐增大，如何高效地进行实验、降低单次实验的用时及人力物力成本成为当下水射流实验需要解决的重点。经过对高压水射流试验系统[10]进行的26次实验各步骤平均耗时统计（如图1）可看出，水射流实验6个步骤中调压阶段所消耗的时间最多，单套实验平均调压时间达到12.42 min，约占单套实验总时间的72.8%。调压时间过长导致整套实验周期长、实验效率低，同时也增加了能源资源的消耗量。为有效解决该问题，根据水射流实验压力调控特点，分析了导致调压时间过长的因素，并制订了一套缩短射流实验调压时间的方法。

图1 水射流实验各步骤平均耗时柱状图

1 问题分析

1.1 水射流实验系统

系统主要由高压泵站、磨料供给系统、水射流实验台、3DPIV测试系统和数据采集系统等构成[8]，其系统组成如图2所示。

图2 水射流实验系统组成示意图

液体经增压泵增压后，一部分经回路流向水箱，另一部分从磨料供给系统流向水射流实验台，通过喷嘴或工具形成高压射流，并完成性能测试。系统液体流向如图3所示。

图3 水射流实验系统液体流向示意图

系统泵压的调节是通过控制回路调节阀的开度来实现的，回路调节阀开度增大，系统泵压降低，回路调节阀开度减小，系统泵压升高。

1.2 调压4个阶段

根据水射流实验系统泵压调节的过程，将调压分为4个阶段，依次为低压段、中压段、高压段和终压段。低压段、中压段、高压段3个阶段的调压目标值均为一个压力范围，而终压段的调压目标值为一个确定的压力值。4个阶段分布与目标压力如表1所示。

表1 水射流实验调压4个阶段目标压力 MPa

对过去26套次实验调压时间进行统计，整理出单套实验各阶段平均调压时间数据如表2所示。

调压前3 个阶段的目标值是一个压力范围，均能够一次调节到位，而终压段是一个压力值，需反复调节才能够到位。从表2可以看出，在4个阶段中终压段调节所消耗的时间最多，平均耗时达到了10.02 min，占单套实验调压时间比值约为80.68%。由此可见，终压段调压时间过长是导致整个水射流实验调压时间过长的症结所在，如果能将该问题解决，水射流实验调压时间就可得到大幅缩减。

表2 调压各阶段平均耗时

1.3 调压时间影响因素

1.3.1 人工调阀稳定性差

系统泵压的调节是通过控制回路调节阀的开度来实现的，水射流实验系统额定工作压力为31.5 MPa，而通常水射流实验的设计压力值一般在15～25 MPa，根据水射流连续性方程和伯努利方程推导出射流喷嘴前后压差与流速的经验模型：

式中：v为射流速度，m/s；Δp为喷嘴前后的射流压差，MPa。

根据工程应用要求，泵压在15 MPa以上时，对油套管进行清洗或切割作业时射流速度误差应控制在5 m/s范围以内，利用上述模型可以得到终压段泵压的误差要求应不超过1 MPa。根据回路阀门针形结构特性，泵压越高，阀门调节灵敏度越高，即细微的阀杆转动会造成压力的巨大波动。通过查阅特性曲线得知，若将最大泵压25 MPa的误差控制在1 MPa以内，则阀门开度调节必须控制在0.3%以内，而对应的阀杆转动角度应控制在8°以内。现场针对阀杆转动开展了测试，3名实验操作员工分别进行了6次阀杆转动测试，统计了每一次阀杆转动角度的数据如表3所示。

表3 3名操作人员测试转动阀杆角度数据表（°）

结果显示，只有3次阀杆转动达到标准，说明要一次性调节至设计值难度很大，需要反复开关阀门进行调压，直到将泵压调至设计值。

1.3.2 操作与信息不同步

水射流实验系统的设备布局示意如图4所示，泵压调节与数据信息位于不同的房间。

图4 水射流实验系统设备布局示意图

实验过程中，泵压数据通过传感器传递给数据信息室，数据信息室的技术人员收到数据后将调压指令通过对讲机传达给泵压调节室的操作人员来完成调压操作。在低压段、中压段和高压段，各段调压目标值为一个压力范围，操作人员可以通过调压阀处的压力表来获取读数，因此调压效率比较高；而在终压段，压力表分度值较大，无法读取精准读数，需要操作与信息反复交流与确认。

小组成员A、B开展了3套测试实验，并对每套实验终压段的调压时间和等待时间（操作与信息反复交流和确认所消耗的时间）进行了统计，数据统计结果如表4所示。

表4 终压段调压时间与等待时间数据表

从统计数据分析可知，终压段等待时间与调压时间的比值远远大于确认标准值5%，表明操作与信息不同步对调压时间影响大。

此外，通过实验历史记录调研和现场测试，对水射流实验类型、实验员操作熟练度、设备维护保养、用水水质、设备噪声和振动进行了单因素分析，发现这些因素对终压段调压时间影响很小，因此人工调阀稳定性差、操作与信息不同步是导致调压时间过长的主要原因。

2 技术措施

分别针对以上2个问题提出了相应对策并进行优选。针对人工调阀稳定性差的问题，提出了3条对策：1）在原调节阀基础上，设计加工机械手，通过与电动机匹配进行控制调阀；2）定制新的阀杆与阀芯，减小阀杆螺距，提高调压精度；3）更换新的自动控制调节阀及配套装置。对策2）是对阀体进行改装，加工难度和成本较高；对策3）需引进全新的自动控制阀门及配套控制装置，成本极高；对策1）不改变阀门原有结构，仅增加少量机械工装和1个小型电动机即可实现，方法简单、成本投入低、可靠性强，因此选用对策1）进行改进。

针对操作与信息不同步的问题，提出了两条对策：1）在泵压调节室设置数据显示窗口，使操作者实时掌握压力信息；2）将调阀控制与数据信息进行集成，实现远程操作与监测。对策1）可实现泵压调节室操作与信息的实时交互，但是仍未有效解决接收来自控制室的指令和向控制室进行数据信息反馈的问题。实验中终压可能会经常改变，对应压力调节仍需较长时间。而对策2）可以实现在控制室对调压阀的远程控制，做到操作与信息的实时监测，操作者与指挥者可以实时共享数据信息，实现指令的快速下达、执行与反馈，因此选用对策2）进行改进。

2.1 加装电控机械手

设计组装高压水射流压力调节电控机械手系统，如图5所示。其总成由与回路阀门匹配的机械手臂（图6所示）、转换接头、电动机、变频器、控制器等组成。机械手臂、转换接头、电动机组装后安装于回路阀门基座上，而变频器、控制器安装于远程控制柜内（位于数据信息室内），电动机通过电线与变频器和控制器连接并通信。

图5 电控机械手系统结构设计图

图6 电控机械手三维图

电控机械手通过控制器设置泵压值、设置关阀步长，按下电动机转动启动按钮，控制器将控制参数转换为电信号发送给变频器，变频器将电信号发送给电动机，电动机执行接收到的命令后输出相应的转速。电动机中心转轴转动，带动机械手臂转动，带动回路阀门的手轮转动，达到关闭或打开阀门的目的，从而达到阀杆精细控制，实现泵压精细调节。

电控机械手加工后安装实物与回路阀门改造前对比如图7所示。

图7 电控机械手安装前后实物对比图

2.2 调阀控制与数据信息集成

将调压操作与数据信息显示集成在一个控制界面，形成操作与信息的统一。控制界面主要包括远程控制柜和泵压调节控制程序，该远程控制柜实物如图8所示。

图8 远程控制柜实物图

对应的泵压调节控制程序主要用于匹配电控机械手并对高压水射流实验过程中对泵压进行控制和调节，软件界面可对水泵压、阀门刻度和油温进行实时显示，可以实现系统运行状态监测，最小阀门开度、最大压力的参数设置，能够实现对高压水射流泵压的远程控制和精细调节。远程控制程序主界面如图9所示。

图9 远程控制程序主界面

根据电控机械手转动步长，该程序设置了10级调压倍速，通过设置不同的调压倍速值可以实现泵压调节效率和控制精度的调整，在低压段时设置高倍速，提高调压效率，在终压段时设置低倍速，提高调压精度。

远程控制柜安装和调压控制程序测试就续后开展了联机调试，阀杆转动均匀，泵压调节平稳，在调压倍速1倍速条件下关阀一次，阀杆转动角度5°，阀门开度减小约满开度的2.5%。调节操作与数据信息衔接紧凑、交互顺畅。联机调试界面如图10所示。

图10 联机调试界面

3 效果分析

利用安装好的电控机械手和调压控制程序开展了6组喷嘴流场测试实验和6组射流工具性能测试实验。实验目的是测试孔径为φ2.0 mm的圆锥收敛型喷嘴在18 MPa泵压条件下的射流流场，以及规格φ50.8 mm的旋转射流清洗工具在20 MPa泵压条件下的清洗性能，验证调压方式改进后的效果。

实验中，泵压调节采用分段方式，低压段设置调压倍速为10倍速，中压段设置调压倍速为5倍速，高压段设置调压倍速为2倍速，当压力升高至15 MPa左右时，将调压倍速降低至1倍速。

3.1 效果对比

喷嘴流场测试实验，当压力升高至15 MPa左右时，将调压倍速降低至1倍速，逐渐关闭阀门至开度5.9%时，泵压均一次性调节至18 MPa；射流工具性能测试实验，当压力升高至15 MPa左右时，将调压倍速降低至1倍速，逐渐关闭阀门至开度5.2%时，泵压均一次性调节至20 MPa，调压各阶段及总调压时间数据统计如表5所示。